サーモエレクトリック・ジェネレーター：ゼーベック発電機
ゼーベック発電機とは
サーモエレクトリック・ジェネレーター（TEG）、別名ゼーベック発電機とは、固体状のデバイスで、温度差（熱流）を直接電気エネルギーに変換するものです。この変換は「ゼーベック効果」と呼ばれる現象を通じて行われます。サーモエレクトリック材料は、遠隔地や惑星間探査に使用される宇宙船、廃熱が回収可能な場所での発電に利用されています。例えば、単純な薪ストーブや開放火でも、携帯電話の充電ステーションや小さな村のLED照明を提供する可能性があります。
ゼーベック効果
サーモエレクトリシティは、温度差を電圧に、またその逆を直接変換するサーモエレクトリック効果によって生成されます。異なる二つの材料を接合し加熱すると、材料間で電子の移動が起こり、電流が流れます。サーモエレクトリック効果には、次の三つの別々に識別される効果が含まれます。
ゼーベック効果: 異なる二つの電気伝導体または半導体間の温度差が、二つの物質間に電圧差を生じさせる現象です。二つの異なる伝導体が電気的に直列に、熱的に並列に接続された接合部に温度勾配が存在する場合、電圧が生成されます。この電圧は、1821年にトーマス・ゼーベックによって報告されたサーモエレクトリック効果の結果です。ゼーベックは主にサーモカップルによる発電特性、すなわちゼーベック効果に焦点を当てました。生成される電圧は、ゼーベック係数S（S = V/ΔT）とサーモカップルの二つの接合部間の温度差に依存します。
ペルチェ効果: ペルチェ効果はゼーベック効果のアナログです。ペルチェ効果は、二つの異なる伝導体の電気化された接合部での加熱または冷却の存在を指します。この効果は、フランスの物理学者ジャン・シャルル・アタナス・ペルチェにちなんで名付けられ、1834年に彼によって発見されました。ペルチェ係数（π）は、電流（I）と発熱率（q）の比率で定義されます：π = I/q。これは、単位電荷当たりにどれだけの熱が運ばれるかを示します。πの符号は、どの接合部が加熱され、どの接合部が冷却されるかによって決まります。典型的なペルチェ熱ポンプには、直列に接続された複数の接合部が含まれ、電流が流れます。これらの接合部のいくつかはペルチェ効果により熱を失い、他の接合部は熱を得ます。サーモエレクトリック熱ポンプや冷蔵庫に見られるサーモエレクトリック冷却装置は、この現象を利用しています。
トムソン効果: 異なる材料では、ゼーベック係数は温度に対して一定ではありません。したがって、温度の空間勾配はゼーベック係数の勾配を引き起こす可能性があります。この勾配を通じて電流が流される場合、ペルチェ効果の連続バージョンが発生します。トムソン効果は、小さな温度勾配が適用された単一の導体において発生する結果としての電流を記述します。この関係は次の方程式によって記述されます；q = βIΔT、ここでqは発熱率、Iは電流、ΔTは温度変化、βはトムソン係数です。
サーモエレクトリック・ジェネレーターの利用
サーモエレクトリック発電は、発展途上国の遠隔地で必要とされるエネルギー源の提供においても役割を果たすでしょう。最近の使用例には、ストーブファン、体温によって動く照明、体温で動くスマートウォッチがあります。従来のサーモエレクトリックデバイスは信頼性が高く、耐久性があり、時間とともに性能が低下しないという利点がありましたが、非常に低いシステム効率と、既存のデバイスのパワー特定コスト（$/W）により、より広範な使用が制限されていました。例えば、現在利用可能な一般的なサーモエレクトリック材料を使用すると、効率は理論上可能なカルノー効率の最大1/6に限られると推定されています。
